Совершенство организации процесса горения в камере сгорания является основным фактором, определяющим экологические характеристики ГТУ, которые наряду с технико-экономическими показателями установки, определяют ее конкурентоспособность как на внутреннем, так и на мировом рынке. В связи с возросшими экологическими требованиями, предъявляемыми к основным показателям токсичности выхлопа ГТУ, с января 1993 года в нашей стране вступил в действие новый ГОСТ 29328–92, существенно ужесточивший допустимые уровни содержания оксидов азота в отработавших газах новых проектируемых установок и ГТУ, находящихся в эксплуатации к моменту введения данного ГОСТа.
Ни для кого не секрет, что одной из важнейших задач современности является снижение эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу Земли. Исследования последних лет показали, что спектр выбрасываемых в атмосферу вредных веществ газотурбинными установками гораздо шире, чем установлено рамками ГОСТов. Задача снижения выбросов обусловлена не только развитием ГТУ во всем мире, но и растущими требованиями к экологическим характеристикам таких установок. Актуальность фундаментальных исследований в области малоэмиссинного горения обусловлена необходимостью прогнозирования и качественного снижения уровня выбросов веществ, загрязняющих атмосферу.
Основные трудности при создании камер сгорания с низким выбросом вредных веществ, связаны с тем обстоятельством, что для снижения выхода СО и NO х необходимо проведение взаимно противоположных мероприятий. Рациональная конструкция камеры сгорания должна представлять собой некоторый компромисс между требованиями, вытекающими из задачи уменьшения эмиссии этих двух групп загрязняющих компонентов. Это может быть обеспечено за счет совершенствования рабочего процесса первичной зоны, зон выгорания и смешения, рационального выбора объема жаровой трубы и времени пребывания в камере сгорания. Принцип действия всех малоэмиссионных КС основан на поддержании температуры в зоне (зонах) горения в достаточно узком интервале на всех эксплуатационных режимах двигателя. [2]
Для снижения эмиссии вредных веществ необходима разработка камер сгорания сложной конструкции с увеличением числа зон горения, каждая из которых оптимизируется на определенный режим работы. При этом, для обеспечения перспективных норм на эмиссию вредных веществ, необходимо создание КС, которые бы позволили одновременно снизить все виды вредных компонентов.
Основные методы снижения выброса CO основаны на представлениях о физико-химических закономерностях его образования:
– Обеспечение состава смеси в зоне горения ближе к α = 1,1…1,3;
– Увеличение объема зоны горения и времени пребывания в ней. [1]
Перечисленные методы снижения выбросов СО трудно реализовать в малоэмиссионных камерах сгорания, так как они ведут к резкому увеличению образования NO х . Установлено, что только в очень узком диапазоне температур (температура пламени Тпл = 1650…1900К) можно одновременно добиться требуемых уровней выбросов NO х и CO.
Процесс образования оксида азота эндотермичен и идет с заметной скоростью при температурах выше 1800 К, поэтому NO образуется только в горячих зонах и достигает максимальной концентрации на режиме наибольшей тяги. Окисление NO до NO 2 происходит при снижении температуры газа. Практический диапазон температуры газа, при которой образуется двуокись азота, составляет от 400 до 900 К. На режимах большой тяги доля NO 2 в окислах азота NO x очень мала, но на режиме малого газа она может достигать 50 %.
Установлено, что выброс NO х экспоненциально возрастает с повышением температуры пламени и линейно возрастает с повышением времени пребывания продуктов сгорания в высокотемпературных зонах. Ввиду того, что разные виды сжигаемого топлива характеризуются разной максимальной температурой пламени, следует ожидать существенных различий в выходе оксидов азота, что и наблюдается на практике. Скорость образования оксидов азота уменьшается по мере обеднения топливной смести (α > 1) в зоне пламени, то есть по мере уменьшения его температуры. [3]
Таким образом, современные детальные кинетические схемы, используемые для расчета эмиссии от камеры сгорания N-содержащих компонентов должны включать перечисленные механизмы образования этих веществ, которые в дальнейшем могут редуцироваться и использоваться при расчетах в CAE-системах с достаточной для практических целей точностью.
В современных исследованиях выделяют такие методы снижения эмиссии вредных выбросов, как:
– Впрыск воды и водяного пара в зону горения;
– Увеличение коэффициента избытка воздуха в зоне горения;
– Микрофакельное сжигание;
– Рециркуляция продуктов сгорания в зону горения;
– Сжигание предварительно подготовленной обедненной топливовоздушной смеси;
– Применение камер сгорания с изменяемой геометрией;
– Ступенчатое (многостадийное) сжигание;
– Каталитическое сжигание.
В таблице 1 представлены показатели эффективности обозначенных выше методов снижения выбросов в КС ГТУ.
Таблица 1
Сравнение методов снижения выбросов в камерах сгорания ГТУ
|
Метод |
Основной принцип воздействия |
Эффективность против NO х |
Эффективность против СО |
Преимущества |
Недостатки |
|
Впрыск воды/пара |
Охлаждение зоны горения |
Высокая (2–3х) |
Низкая/отриц. |
Значительное снижение NO х |
Коррозия, накипь, рост СО, снижение КПД |
|
Увеличение α (обеднение) |
Снижение температуры горения |
Высокая (↓10–25 ppm) |
Умеренная (риск роста при α > 2.5) |
Эффективность, универсальность, совместимость |
Риск нестабильности горения, снижение КПД, требует точного контроля (LPC) |
|
Микрофакельное сжигание |
Множество мелких факелов, равномерный нагрев |
Очень высокая (↓5–15 ppm) |
Высокая |
Равномерность, стабильность, низкие выбросы NO х /СО |
Высокая стоимость материалов и управления, сложность обслуживания |
|
Рециркуляция ПГ |
Разбавление смеси, снижение температуры |
Умеренная |
Низкая/отриц. |
Регулирование теплопередачи, унификация |
Рост энергозатрат, потерь, риски нестабильности и СО/сажи |
|
Обедненное предв. Смешение |
Гомогенизация смеси, снижение пиков Т |
Высокая (LPP макс.) |
Высокая |
Максимальный потенциал снижения NO х (LPP) |
Сложность конструкции и управления, риск проскока (LPP), проблема смешения (RQL) |
|
КС с изменяемой геометрией |
Адаптация параметров горения под режим |
Высокая (↓30–50 %) |
Высокая |
Оптимизация на всех режимах, гибкость по топливу |
Высокая сложность и стоимость механики и управления, износ |
|
Ступенчатое сжигание |
Разделение горения на зоны |
Высокая (↓10–25 ppm) |
Высокая |
Эффективность, повышение КПД, гибкость |
Усложнение конструкции, риск нестабильности, стоимость |
|
Каталитическое сжигание |
Беспламенное окисление на катализаторе |
Очень высокая (< 12 мг/
|
Очень высокая (< 7 мг/
|
Сверхнизкие выбросы NO х и СО, низкая Т процесса |
Ресурс катализатора, низкая маневренность, сложность, стоимость |
Среди перспективных направлений развития технологий по снижению эмиссии вредных выбросов можно отметить переход на водород и синтетические топлива (e-fuels), что позволяет достичь нулевых выбросов СО₂, но требует модернизации инфраструктуры; цифровизацию и гибридные технологии, которые оптимизируют процессы горения и управление выбросами в реальном времени; а также инновационные концепции, такие как детонационные двигатели и замкнутые циклы, открывающие путь к повышению эффективности на 25–30 %.
Таким образом, будущее снижения выбросов ГТУ заключается в комбинации технологий и новых подходов:
– Переход на альтернативные виды топлива. Использование водорода позволит снизить выбросы СO 2 до нуля, но этот способ требует модификации камер сгорания (что влечёт за собой риски детонации и обратных вспышек) и развития инфраструктуры в целом. Использование же синтетических топлив (e-fuels) позволяет минимально адаптировать существующие ГТУ.
– Интеграция с технологиями улавливания. CCUS (Carbon Capture) позволяет улавливать СО₂ из выхлопов (например, технология amine scrubbing, цикл Адама со сверхкритическим СО₂ в проекте NET Power).
– Гибридизация и цифровизация. Интеграция ГТУ с ВИЭ (солнечно-газовые гибриды ISCC), накопителями энергии и топливными элементами позволит увеличить КПД до 70 %, а прогнозирование износа с помощью искусственного интеллекта позволит оптимизировать режимы горения и выбросов в реальном времени.
– Инновационные концепции. Применение детонационных двигателей повысило бы эффективность сжигания на 25 %, а использование рабочих тел (сверхкритический СО₂, гелий) позволило бы минимизировать выбросы.
Снижение вредных выбросов в камерах сгорания ГТУ — сложная инженерная задача, требующая компромиссов и комплексного подхода. Ни один метод не является универсальным и идеальным. Существующие современные решения, которые были нами рассмотрены, демонстрируют высокую эффективность, но часто сопряжены с увеличением сложности и стоимости. Перспективы же в данном направлении связаны с глубокой модернизацией всей инфраструктуры: комбинированием нескольких методов снижения эмиссии вредных выбросов, широким внедрением водорода и синтетических топлив, а также активным использованием цифровых технологий для оптимизации всех процессов.
Ожидается, что к 2030 году появятся серийные ГТУ с практически нулевыми выбросами СО₂. Реализация этих перспектив требует значительных инвестиций в отрасль, развития и модернизации инфраструктуры, создания термостойких материалов и адаптации нормативной базы при активной поддержке государства и международных организаций по стандартизации. Дальнейшие исследования должны фокусироваться на снижении стоимости и повышении надежности перспективных технологий для их массового внедрения.
Литература:
- Особенности конвертирования форсированной по скорости камеры сгорания при работе на природном газе / А. Ф. Ивах, Г. П. Гребенюк, М. Н. Ишбулатов [и др.]. — Текст: непосредственный // Вестник Самарского гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. С. П. Королева.. — 2002. — № 2. — С. 21–26.
- Пчелкин, Ю. М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей: учебник / Ю. М. Пчелкин. — 3. — Москва:, 1984. — 280 c. — Текст: непосредственный.
- Цанев, С. В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учебное пособие. / С. В. Цанев, В. Д. Буров, А. Н. Ремезов. — 3. — Москва: Издательский дом МЭИ, 2009. — 578 c. — Текст: непосредственный.
